Was sind kryogene Materialien?
Kryogene Materialien widerstehen der Versprödung und funktionieren gut bei extrem niedrigen Temperaturen. Eine begrenzte Anzahl von Kunststoffen fällt in diese Kategorie, und die meisten sind in ihrer Polymerstruktur amorph.
Drake Plastics stellt spanend bearbeitete Teile und spritzgegossene Komponenten aus verschiedenen hochentwickelten Polymeren her, die auch unter kryogenen Bedingungen gut funktionieren. Diese Hochleistungsthermoplaste behalten ihre robusten physikalischen Eigenschaften in Umgebungen bei, in denen die Temperaturen unter -150 oC(-238 oF) fallen. Ihre Fähigkeit, bei kryogenen Temperaturen zäh und nachgiebig zu bleiben, unterscheidet sie von anderen Polymeren. Dank dieser Eigenschaft können sie bei kryogenen Temperaturen in Anwendungen wie statischen und dynamischen Dichtungen für Systeme, die an der Verarbeitung, der Lagerung und dem Transport von flüssigem Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und verflüssigtem Erdgas beteiligt sind, sowie als strukturelle Komponenten in der Raumfahrtausrüstung zuverlässig funktionieren.
Vorteile von kryogenen Hochleistungskunststoffen
Die inhärenten Vorteile von Hochleistungspolymeren gelten für ein breites Spektrum von Betriebsumgebungen, einschließlich Gasen und Flüssigkeiten bei kryogenen Temperaturen. Zu ihren Vorteilen im Vergleich zu anderen Polymeren und vielen Metallen bei kryogenen Temperaturen gehören:
- Beibehaltung der Dehnung
- Zähigkeit und Bruchsicherheit
- Beibehaltung der Ermüdungsfestigkeit
- Leichtes Gewicht
- Verschleißfestigkeit bei dynamischer Belastung ohne externe Schmierung
- Zuverlässige statische und dynamische Dichtheit
- Thermische Isolierung, elektrische Isolierung
- Vielseitige Produktion durch Extrusion, spritzgegossen und maschinelle Bearbeitung.
Welche kryogenen Materialien bietet DRAKE an?
Drake Plastics bietet extrudierte Halbzeuge, präzisionsbearbeitete Komponenten und spritzgegossene Teile aus hochentwickelten Polymeren an, die ihre Eigenschaften in hohem Maße beibehalten und in kryogenen Anwendungen zuverlässig funktionieren. Jedes Material bietet unterschiedliche Eigenschaftsprofile, um die Anforderungen einer Vielzahl von Tieftemperaturanwendungen zu erfüllen. Allgemeine Eigenschaften dieser Materialien:
- Torlon® PAI: Torlon PAI zeichnet sich im Vergleich zu anderen fortschrittlichen Materialien durch eine höhere strukturelle Festigkeit bei extremen Temperaturen aus. Die PAI-Polymertechnologie hat zur Entwicklung von Lager- und Verschleißtypen geführt, die die Funktionsdauer von Komponenten unter dynamischer Belastung erheblich verlängern. Die Technologie hat auch zu Formulierungen mit Kohlefasern oder Glasfasern geführt, die die strukturelle Festigkeit gegenüber ungefüllten Typen deutlich erhöhen.
- Vespel® PI: Vespel Polyimid gilt als das Nonplusultra unter den hochentwickelten Polymeren und ist in Form von bearbeitbaren Formen und präzisionsbearbeiteten Teilen erhältlich. Die Vespel SP-Typen und die höherfesten Co-Polymere SCP-Typen eignen sich besonders gut für die maschinelle Bearbeitung von kryogenen Anwendungen. Direkt geformte Teile sind ebenfalls erhältlich. Ungefüllte Typen sowie Lager- und Verschleißtypen erfüllen die Leistungsanforderungen sowohl von statischen und dynamischen Dichtungen für kryogene Flüssigkeiten als auch von Strukturkomponenten unter kryogenen Bedingungen.
- Drake PCTFE: PCTFE ist ein hochleistungsfähiges Fluorpolymer, das seit Jahrzehnten für kryogenen Flüssigsauerstoff (LOX), Flüssigwasserstoff (LH2), Flüssigstickstoff (LN2) und Flüssigerdgas (LNG) spezifiziert ist. Zu seinen Eigenschaften gehören eine hohe Festigkeit sowie eine V-0-Entflammbarkeit und ein hoher Grenzsauerstoffindex (LOI) von 95, die die Widerstandsfähigkeit gegen Verbrennungen verbessern, wenn Zündquellen vorhanden sein können. Es widersteht auch der Verschlechterung seiner Eigenschaften, wenn es Strahlung ausgesetzt wird. Diese Kombination von Leistungsvorteilen hat zu einem schnellen Wachstum als Material für Dichtungen geführt, die bei kryogenen Temperaturen in der Raumfahrtausrüstung zuverlässig funktionieren müssen.
- Drake CryoDyn® CT-200: CryoDyn wurde für kryogene Flüssigkeitsdichtungsanwendungen als Alternative zu PCTFE entwickelt. Es handelt sich um ein Material auf PEEK-Basis mit den physikalischen Eigenschaften und der chemischen Beständigkeit, die das Polymer PEEK kennzeichnen. Die Erforschung der Materialanforderungen für kryogene Anwendungen führte zur Entwicklung einer Verbindung auf PEEK-Basis mit einer zweiten Polymerphase. Die Materialtechnologie ermöglicht es CryoDyn CT-200, bei kryogenen Temperaturen zu arbeiten, die über die Möglichkeiten von ungefüllten und anderen traditionellen PEEK Verbindungen hinausgehen.
- PTFE und andere Standard-Fluorpolymere: Drake Präzisionsmaschinenbauteile aus PTFE und anderen Fluorpolymeren zur Ergänzung seiner Produktlinie für kryogene Materialien. Fluorpolymere wie PTFE werden oft nicht als Hochleistungswerkstoffe angesehen, vor allem wegen ihrer geringen Festigkeit. Sie sind jedoch oft die beste Materialwahl, wenn Schlagzähigkeit, chemische Beständigkeit und Kosten eine wichtige Rolle spielen – und die strukturellen Anforderungen gering sind.
Daten zu kryogenen Eigenschaften von Hochleistungskunststoffen
Die Anbieter von Kunststoffen erstellen Eigenschaftsdaten auf der Grundlage von standardisierten Prüfmustern, Testmethoden und Testbedingungen der Industrie. Diese Standarddatenblatttests werden routinemäßig für alle Kunststoffe bei Raumtemperatur und bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Allerdings führen nur einige wenige Anbieter Eigenschaftsprüfungen bei kryogenen Temperaturen durch, und auch nur für eine begrenzte Auswahl von Eigenschaften und Sorten. Ein Beispiel hierfür sind die verfügbaren Eigenschaftsdaten für das Tieftemperaturpolymer von Drake(CryoDyn ) und für den Kunststoff PCTFE (Tabelle 1). Außerdem können die Testbedingungen bei den Anbietern der verschiedenen Kunststoffe variieren. All diese Faktoren erschweren den direkten Vergleich von Daten zu den Eigenschaften kryogener Materialien.
Nichtsdestotrotz ist es möglich, Materialoptionen für kryogene Anwendungen zu entwickeln. Im Fall von Torlon PAI sind Daten zu den mechanischen Eigenschaften bei kryogenen Testtemperaturen für vier verschiedene Typen verfügbar: ungefüllte, tragende und verschleißverstärkte sowie Kohlefaser- und Glasfaser-verstärkte Typen (Tabelle 2). Die für diese repräsentativen Typen verfügbaren Daten zu den kryogenen Eigenschaften können helfen, die Machbarkeit ähnlicher Formulierungen zu beurteilen.
Typische Datenblatteigenschaften als Hilfsmittel bei der Materialauswahl
Die Polymere, die Drake für kryogene Anwendungen anbietet, behalten erfahrungsgemäß ihre mechanischen Eigenschaften bei diesen niedrigen Temperaturextremen, die mit flüssigem Stickstoff, flüssigem Wasserstoff, flüssigem Sauerstoff und flüssigem Erdgas verbunden sind, gut bei. Ein Vergleich ihrer „Standard“-Datenblatteigenschaften und die Berücksichtigung der Auswirkungen dieser Gase bei kryogenen Temperaturen, wie unten beschrieben, kann ein weiterer nützlicher Ausgangspunkt sein.
Vollständige Daten zu den Eigenschaften aller Drake Materialien, die unter Standardtestbedingungen ermittelt wurden, finden Sie unter Daten zu bearbeitbaren Formen und in den Datenblättern der Kunststoffe von Polymerlieferanten.
Letztendlich schreibt die beste Praxis vor, dass Prototypen und Produktionsteile unter den tatsächlichen kryogenen Betriebsbedingungen der Anwendung getestet werden, um die Leistung im Einsatz zu validieren.
Wie kryogene Temperaturen die Materialeigenschaften beeinflussen
Extreme Temperaturen unter dem Gefrierpunkt wirken sich in gewissem Maße auf verschiedene Eigenschaften aller Polymere aus. Die Materialien werden in der Regel steifer und weisen eine Verbesserung der Biege- und Druckeigenschaften bei gleichzeitiger Verringerung der Zugdehnung und Schlagfestigkeit auf. Die Verschleißfestigkeit verbessert sich häufig durch eine höhere Oberflächenhärte und eine beschleunigte Wärmeabfuhr. Die Dimensionsstabilität bei schnellen Temperaturwechseln kann auch die Integrität statischer und dynamischer Dichtungen beeinträchtigen.
Auch wenn jede Anwendung ihre spezifischen Leistungsanforderungen hat, sind die folgenden Eigenschaften und die Auswirkungen der kryogenen Bedingungen auf sie wichtig für die Bewertung von Materialien für den Einsatz bei extrem niedrigen Temperaturen:
Mechanische Eigenschaften
Kryogene Temperaturen bewirken, dass Materialien steifer werden, wodurch sich ihre Biege- und Druckfestigkeit und ihr Modul erhöhen. Gleichzeitig verringert sich bei extremer Kälte die Zugdehnung und die Dehnbarkeit eines Materials.
Anwendungshinweise:
- Die Auswirkungen der kryogenen Bedingungen auf die mechanischen Eigenschaften sind wichtige Faktoren für strukturelle Anwendungen in der Raumfahrtausrüstung. Während die Steifigkeit erhöht wird, müssen die Materialien so belastbar sein, dass sie den Vibrationen und Beanspruchungen während des Antriebs, der Bergung, des Andockens, des Einsatzes von Geräten und anderen Vorgängen standhalten.
- Ein erheblicher Anstieg des Druckmoduls aufgrund der kryogenen Temperaturen ist ebenfalls ein wichtiger technischer Aspekt bei Dichtungen. Hohe Druckeigenschaften können die Fähigkeit der Dichtungen beeinträchtigen, sich an die Gegenflächen anzupassen und einen gleichmäßigen Kontakt herzustellen.
CLTE und Dimensionsstabilität
Ein kryogenes Material kann sowohl in der Nähe heißer Zündquellen als auch bei extremen Gefriertemperaturen im Vakuum des tiefen Weltraums auftreten. Der Wechsel von hohen zu niedrigen Temperaturen kann zu einer erheblichen thermischen Ausdehnung und Kontraktion führen. Ein hochleistungsfähiges Polymermaterial mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CLTE) kann die Dimensionsstabilität gewährleisten, die für die zuverlässige Funktion kritischer Betriebskomponenten wie Behälter und Druckentlastungsvorrichtungen erforderlich ist. Und im Gegensatz zu Metallen ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Polymeren nicht linear, sondern steigt mit zunehmender Temperatur.
Datenblattwerte für den WAK von Polymeren werden in der Regel von -40o C bis 150o C erstellt und als ein einziger Datenpunkt ausgedrückt. Die Wärmeausdehnung von Polymeren ist jedoch nicht linear. Die Werte sind bei niedrigeren Temperaturen niedriger, und der tatsächliche WAK bei kryogenen Temperaturen ist niedriger als die „typischen“ Werte, die in den Datenblättern angegeben werden. Es ist auch wichtig zu wissen, dass bei faserverstärkten Produkten der WAK in Richtung des Faserflusses gemessen wird. In Querströmungsrichtung gemessene WAK-Werte sind viel höher, bis zum Zweifachen.
Anwendungshinweise:
- Der thermische Ausdehnungskoeffizient (CLTE) von Polymeren für Strukturteile und Gehäuse in Raumfahrzeugen kann sich von dem thermischen Ausdehnungsverhalten von Materialien in Passflächen und Befestigungselementen unterscheiden. Materialien mit ähnlichen Wärmeausdehnungseigenschaften können das Risiko von Spannungsrissen aufgrund signifikanter Dimensionsänderungen durch extreme und oft schnelle Temperaturschwankungen minimieren.
- Die CLTE der Materialien, die bei statischen und dynamischen Dichtungen für die Gegenflächen verwendet werden, ist ebenfalls ein wichtiger Faktor. Signifikante Unterschiede in den Maßänderungen bei Temperaturschwankungen von Raketenstartbedingungen bis hin zu extremer und schneller Abkühlung können die Integrität der Dichtungen beeinträchtigen. Daher müssen die Schnittstellen von Systemdichtungen bei ihren kryogenen Betriebstemperaturen und nicht nur bei Umgebungs- oder Montagetemperaturen betrachtet werden.
Schlagzähigkeit
Niedrige Temperaturen verspröden alle Materialien bis zu einem gewissen Grad. Einige Metalle sind unter diesen Bedingungen anfälliger für Brüche als Hochleistungskunststoffe.
Anwendungshinweise:
- Die Fähigkeit eines Materials, unter kryogenen Bedingungen ein gutes Maß an Duktilität beizubehalten, ist wichtig für strukturelle Komponenten und Gehäuse in der Raumfahrtausrüstung, die starken Vibrationen und Stößen ausgesetzt sein können.
- Dichtungen in Flüssigsauerstoff-, Flüssigwasserstoff-, Flüssigstickstoff- und Flüssigerdgassystemen können bei der Installation vor der Tieftemperaturbeaufschlagung Belastungen wie Stößen ausgesetzt sein. Materialien mit einer guten inhärenten Zähigkeit können dazu beitragen, stoßbedingte Mikrorisse und Oberflächendefekte zu vermeiden, die zu Versagenspunkten werden können, wenn kryogene Temperaturen Spannungen aufgrund von Dimensionsänderungen und Betriebsdrücken oder anderen Kräften, denen das System ausgesetzt ist, erzeugen.
Lager- und Verschleißeigenschaften
Hochleistungskunststoffe, die mit Festschmierstoffadditiven wie Graphit, PTFE und Kohlefasern compoundiert sind, erbringen gute Leistungen in kryogenen Lager- und Verschleißanwendungen. Tatsächlich verbessert sich ihre Verschleißfestigkeit häufig, wenn ihre Oberflächen aufgrund der kryogenen Temperaturen an Härte gewinnen. Darüber hinaus ist die typische Ursache für das Versagen von Polymerlagern – örtliche Wärmeentwicklung – im kryogenen tribologischen Einsatz normalerweise nicht vorhanden.
Anwendungshinweise:
- Anwendungen in der Raumfahrtausrüstung können sowohl strukturelle als auch dynamische Funktionen haben. Zum Beispiel können Komponenten mit Zahnrädern ausgestattet sein, die das Ausfahren oder Aktivieren von Geräten unterstützen. Torlon PAI- und Vespel PI-Grade, die mit Festschmierstoffen wie PTFE und Graphit compoundiert sind, bieten verbesserte Lager- und Verschleißeigenschaften und sind eine praktikable Materialoption für diese Anwendungen. Sie beseitigen die Probleme, die mit externen flüssigen Schmiermitteln verbunden sind, die sich bei kryogenen Temperaturen verfestigen und Partikel bilden können, die Betriebskomponenten verunreinigen können.
- Der Zusatz von Glasfasern oder Kohlefasern in Torlon PAI erhöht die Festigkeit des Materials und erhält gleichzeitig die dem Polymer innewohnende kryogene Zähigkeit. In vielen Fällen übertreffen diese faserverstärkten Typen – Torlon 5030 und Torlon 7130 – ihre intern geschmierten Gegenstücke in vielen kryogenen Verschleißanwendungen, wie z.B. Gleitschieber.
- Dynamische Dichtungen für die Verarbeitung, Lagerung, Lieferung und den Transport von flüssigem Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Flüssigerdgas profitieren ebenfalls von Lager- und Verschleißformulierungen aus Hochleistungspolymeren. Diese fortschrittlichen Materialien behalten ihre Verschleißfestigkeit unter dynamischer Belastung bei kryogenen Temperaturen bei, um die langfristige Zuverlässigkeit der Dichtungen zu gewährleisten, die bei Flüssiggasanwendungen erforderlich ist.
Verwandte Leistungsvorteile von Advanced Polymers
Hochentwickelte Polymere werden in großem Umfang als kryogene Materialien für Komponenten und Dichtungen in der Raumfahrtausrüstung sowie für Dichtungen und ähnliche Anwendungen in LOX-, LH2-, LN2- und LNG-Systemen verwendet.
Diese Materialien in Form von maschinell bearbeitbaren Formen, präzisionsbearbeiteten Komponenten und spritzgegossenen Teilen aus Drake Plastics haben ihre Fähigkeit unter Beweis gestellt, robuste mechanische Eigenschaften unter kryogenen Bedingungen beizubehalten. Jedes Material bietet außerdem thermische und elektrische Isolierung sowie Isolations- und Entflammbarkeitswerte, die wichtige Vorteile für Raumfahrzeuge und Flüssiggasgeräte darstellen, bei denen die Gefahr einer Verbrennung aufgrund der Nähe von Zündquellen bestehen kann.
Umfassende Daten zur Entflammbarkeit sowie zu den elektrischen und thermischen Eigenschaften der maschinell bearbeitbaren Formen von Drakeund der Kunststoffe, die zur Herstellung von Formen und spritzgegossenen Teilen verwendet werden, finden Sie auf dem Datenblatt für Kunststoffe von Drake.
Darüber hinaus sind die Hochleistungspolymere von Drake gegen eine Vielzahl von Chemikalien beständig. Jedes Material ist in dieser Hinsicht einzigartig. Drake PlasticsUnsere Anwendungstechniker können Ihnen dabei helfen, die Datenbanken der wichtigsten Kunststoffe zu nutzen, um genauere Informationen darüber zu erhalten, wie sich Chemikalien und unterschiedliche Konzentrations-, Temperatur- und Belastungsbedingungen auf die Leistung der aus den einzelnen Polymeren hergestellten Komponenten auswirken.
